第八章细胞信号转导讲稿

PAGEPAGE24第八章细胞通讯生命与非生命物质最显著的区别在于生命是一个完整的自然的信息处理系统。一方面生物信息系统的存在使有机体得以适应其内外部环境的变化，维持个体的生存；另一方面信息物质如核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维持了种族的延续。生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信息系统的进化。单细胞生物通过反馈调节，适应环境的变化。多细胞生物则是由各种细胞组成的细胞社会，除了反馈调节外，更有赖于细胞间的通讯与信号传导，以协调不同细胞的行为，如：①调节代谢，通过对代谢相关酶活性的调节，控制细胞的物质和能量代谢；②实现细胞功能，如肌肉的收缩和舒张，腺体分泌物的释放；③调节细胞周期，使DNA复制相关的基因表达，细胞进入分裂和增殖阶段；④控制细胞分化，使基因有选择性地表达，细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞；⑤影响细胞的存活(图8-1)。图8-1细胞通信的作用第一节细胞信号系统概述一、几个容易混淆的概念近年来，由于细胞通信在医学尤其是揭示癌症方面的重要性，使这一领域的研究十分活跃，文献和著作非常的多，不同的作者往往使用不同的名词来描述细胞的信息传递现象，虽然这些名词很相近，但是其内涵和外延不尽相同，现解释如下：细胞信号发放（cellsignaling）\o""[1]，细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。细胞通讯（cellcommunication）\o""[2]指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。细胞识别（cellrecognition）\o""[3]指细胞与细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，从而引起细胞反应的现象信号转导（signaltransduction）\o""[4]指外界信号（如光、电、化学分子）与细胞细胞表面受体作用，通过影响细胞内信使的水平变化，进而引起细胞应答反应的一系列过程。二、细胞信号分子生物细胞所接受的信号既可以使物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但是在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。从化学结构来看细胞信号分子包括：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等，其共同特点是：①特异性，只能与特定的受体结合；②高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；③可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。从产生和作用方式来看可分为内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和气体分子等四类。从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类。脂溶性信号分子，如甾类激素和甲状腺素，可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。水溶性信号分子，如神经递质、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。所以这类信号分子又称为第一信使（primarymessenger），而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使（secondarymessenger）。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），Ca2+被称为第三信使是因为其释放有赖于第二信使。第二信使的作用是对胞外信号起转换和放大的作用。三、受体受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，当受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体与配体间的作用具有三个主要特征：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体（intracellularreceptor）和细胞表面受体（cellsurfacereceptor，图8-2）。细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递，如胞内的甾体类激素受体。细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递，可分为：①离子通道型受体、②G蛋白耦联型受体和③酶耦联型受体。每一种细胞都有其独特的受体和信号转导系统，细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。细胞持续处于信号分子刺激下的时候，细胞通过多种途径使受体钝化，产生适应。如：①修饰或改变受体，如磷酸化，使受体与下游蛋白隔离，即受体失活(receptorinactivation)。②暂时将受体移到细胞内部，即受体隐蔽（receptorsequestration）③通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解，即受体下行调节（receptordown-regulation）图8-2细胞表面受体和细胞内受体四、蛋白激酶蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将ATP的γ磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化，可分为5类（表8-1）。蛋白激酶在信号转导中主要作用有两个方面：其一是通过磷酸化调节蛋白质的活性，磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组分可逆激活的共同机制，有些蛋白质在磷酸化后具有活性，有些则在去磷酸化后具有活性；其二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。表8-1蛋白激酶的种类激酶磷酸基团受体蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶丝氨酸／苏氨酸羟基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羟基蛋白组／赖／精氨酸激酶咪唑环，胍基，ε－氨基蛋白半胱氨酸激酶巯基蛋白天冬氨酸／谷氨酸激酶酰基五、胞间通信的主要类型细胞通讯主要有以下三种方式。（一）细胞间隙连接（gapjunction）是细胞间的直接通讯方式（图8-3）。两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象。图8-3细胞间隙连接（二）膜表面分子接触通讯是指细胞通过其表面信号分子（受体）与另一细胞表面的信号分子（配体）选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程，即细胞识别（cellrecognition，图8-4）。可分为：①同种同类细胞间的识别，如胚胎分化过程中神经细胞对周围细胞的识别，输血和植皮引起的反应可以看作同种同类不同来源细胞间的识别；②同种异类细胞间的识别，如精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别；③异种异类细胞间的识别，如病原体对宿主细胞的识别，④异种同类细胞间的识别，仅见于实验条件下。图8-4膜表面分子接触通讯图8-5化学通讯（三）化学通讯化学通讯是间接的细胞通讯（图8-5），指细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能。根据化学信号分子可以作用的距离范围，可分为以下4类（图8-6）：1.内分泌（endocrine）：内分泌细胞分泌的激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。其特点是：①低浓度，仅为10-8-10-12M；②全身性，随血液流经全身，但只能与特定的受体结合而发挥作用；③2.旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：①各类细胞因子；②气体信号分子（如：NO）3.突触信号发放：神经递质（如乙酰胆碱）由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。4.自分泌（autocrine）：与上述三类不同的是，信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。如：大肠癌细胞可自分泌产生胃泌素，介导调节c-myc、c-fos和rasp21等癌基因表达，从而促进癌细胞的增殖。图8-6化学通信的类型第二节胞内受体介导的信号传导细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白（图8-31）。在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。这类受体一般都有三个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。每种类型的甾类激素与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内，激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列调节基因表达。受体与DNA序列的结合已得到实验证实，结合序列是受体依赖的转录增强子，这种结合可增加某些相邻基因的转录水平。甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：①直接活化少数特殊基因转录的初级反应阶段，发生迅速；②初级反应的基因产物再活化其他基因产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。如果蝇注射蜕皮激素后仅5～10min便可诱导唾腺染色体上6个部位的RNA转录，再过一段时间至少有100个部位合成RNA，致使大量合成次级反应所特有的蛋白质产物。这类激素作用通常表现为如影响细胞分化等长期的生物学效应。甲状腺素和雌激素也是亲脂性小分子，其受体位于细胞核内，作用机理与甾类激素相同。也有个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。图8-31胞内受体NO是另一种可进入细胞内部的信号分子，能快速透过细胞膜，作用于邻近细胞。R．Furchgott等三位美国科学家因发现NO作为信号分子而获得1998年诺贝尔医学与生理学奖。血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitricoxidesynthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以还原型辅酶Ⅱ（NADPH）作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cyclase，GC）活性中心的Fe2＋结合，改变酶的构象（图8-32），导致酶活性的增强和cGMP合成增多（图8-33）。cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。图8-32鸟苷酸环化酶图8-33NO的作用机制第三节膜表面受体介导的信号转导亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）不能直接进入细胞，只能通过膜表面的特异受体传递信号，使靶细胞产生效应。膜表面受体主要有三类（图8-7）：①离子通道型受体（ion-channel-linkedreceptor）；②G蛋白耦联型受体（G-protein-linkedreceptor）；③酶耦联的受体（enzyme-linkedreceptor）。第一类存在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinasecascade）事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。图8-7膜表面受体主要有三类一、离子通道型受体离子通道型受体（图8-8）是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gatedchannel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。如：乙酰胆碱受体（图8-9、10）以三种构象存在，两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象，但该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰胆碱与之解离，受体则恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备。离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。图8-8离子通道型受体图8-9乙酰胆碱受体结构模型图8-10乙酰胆碱受体的三种构象图8-11神经肌肉接点处的离子通道型受体二、G蛋白耦联型受体三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由α、β、γ三个亚基组成，α和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用（图8-12），当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，α亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被RGS（regulatorofGproteinsignaling）增强。RGS也属于GAP（GTPaseactivatingprotein）。G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白（图8-13），受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体。图8-12G蛋白分子开关图8-13G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。（一）cAMP信号途径在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。1、cAMP信号的组分①.激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）；②.活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；③.腺苷酸环化酶（Adenylylcyclase）：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP（图8-14）。图8-14腺苷酸环化酶④.蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成（图8-15），在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。图8-15蛋白激酶A⑤.环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMPphosphodiesterase）：可降解cAMP生成5’-AMP，起终止信号的作用（图8-16）。图8-16cAMP的降解2、Gs调节模型当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，α亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的α亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出α亚基和βγ基复合物，并暴露出α亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的α亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解α亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。α亚基与βγ亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。活化的βγ亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的βγ亚基复合物能开启质膜上的K+通道，改变心肌细胞的膜电位。此外βγ亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的α亚基起协同或拮抗作用。霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。该信号途径涉及的反应链可表示为：激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录（图8-17）。图8-17Gs调节模型不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸（图8-18），而抑制糖原的合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMPresponseelement）是DNA上的调节区域（图8-19）。图8-18cAMP信号与糖原降解图8-19cAMP信号与基因表达3、Gi调节模型Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化（图8-20）。百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP-核糖基化，结果降低了GTP与Gi的α亚基结合的水平，使Gi的α亚基不能活化，从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳症状与这种作用机理有关。图8-20Gi调节模型（二）磷脂酰肌醇途径在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号（图8-21），这一信号系统又称为“双信使系统”（doublemessengersystem）。图8-21磷脂酰肌醇途径IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。用Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果（图8-22）。DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化（图8-22），PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。DG的作用可用佛波醇酯（phorbolester）模拟。图8-22IP3和DG的作用Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）。细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。如：在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶Ⅱ十分丰富，与记忆形成有关。该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网（图8-23）。图8-23Ca2+信号的消除DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。（三）其它G蛋白偶联型受体1．化学感受器中的G蛋白气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gatedcationchannel），引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。2．视觉感受器中的G蛋白黑暗条件下视杆细胞(或视锥细胞)中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，含一个11顺-视黄醛。是视觉感受器中的G蛋白偶联型受体，光照使Rh视黄醛的构象变为反式，Rh分解为视黄醛和视蛋白（opsin），构象改变的视蛋白激活G蛋白（transducin,Gt），G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶，将细胞中的cGMP水解。从而关闭钠通道，引起细胞超极化，产生视觉。可见胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用（图8-24）。视觉感受器的换能反映可表述为：光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。图8-24视觉感受器中的G蛋白（四）小G蛋白小G蛋白（SmallGProtein）因分子量只有20~30KD而得名，同样具有GTP酶活性，在多种细胞反应中具有开关作用。第一个被发现的小G蛋白是Ras，它是ras基因\o""[5]的产物。其它的还有Rho，SEC4，YPT1等，微管蛋白β亚基也是一种小G蛋白。小G蛋白的共同特点是，当结合了GTP时即成为活化形式，这时可作用于下游分子使之活化，而当GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶）则回复到非活化状态。这一点与Gα类似，但是小G蛋白的分子量明显低于Gα。在细胞中存在着一些专门控制小G蛋白活性的小G蛋白调节因子，有的可以增强小G蛋白的活性，如鸟苷酸交换因子（guaninenucleotideexchangefactor,GEF）和鸟苷酸解离抑制因子（GuaninenucleotidedissociationInhibitor,GDI），有的可以降低小G蛋白活性，如GTP酶活化蛋白（GTPaseactivatingprotein,GAP）。三、酶耦联型受体酶偶联型受体（enzymelinkedreceptor）分为两类，其一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；其二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。这类受体的共同点是：①通常为单次跨膜蛋白\o""[6]；②接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。已知六类：①受体酪氨酸激酶、②酪氨酸激酶连接的受体、③受体酪氨酸磷脂酶、④受体丝氨酸/苏氨酸激酶⑤受体鸟苷酸环化酶、⑥组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。（一）受体酪氨酸激酶1、酪氨酸激酶酪氨酸激酶可分为三类：①受体酪氨酸激酶，为单次跨膜蛋白，在脊椎动物中已发现50余种；②胞质酪氨酸激酶，如Src家族、Tec家族、ZAP70、家族、JAK家族等；③核内酪氨酸激酶如Abl和Wee。受体酪氨酸激酶（receptorproteintyrosinekinases，RPTKs）的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点（图8-25）。配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化（dimerization）形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。这类受体主要有EGF、PDGF、FGF等（图8-26）。图8-25受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化图8-26各类受体酪氨酸激酶2、信号分子间的识别结构域信号转导分子中存在着一些大约由50~100个氨基酸构成的结构域，它们在不同的信号转导分子中具有很高的同源性。这些结构域的作用是在细胞中介导信号介导分子的相互识别和连接，共同形成不同的信号转导途径（Signaltransductionpathway），如电脑的接口一样把不同的设备连接起来，形成信号转导网络（Signaltransductionnetwork）。与细胞信号分子识别有关的结构域主要有：SH2结构域（SrcHomology2结构域）：约100个氨基酸组成，介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合。SH3结构域（SrcHomology3结构域）：约50~100个氨基酸组成，介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子结合。PH结构域（PleckstrinHomology结构域）：约100~120个氨基酸组成，可以与膜上磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合，使含PH结构域蛋白由细胞质中转位到细胞膜上。3、RAS信号途径受体酪氨酸激酶（RPTK）结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化而活化，活化的RPTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应（图8-27）。Ras蛋白要释放GDP，结合GTP的才能激活，GDP的释放需要鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）参与；Sos有SH3结构域，但没有SH2结构域，因此不能直接和受体结合，需要接头蛋白（如Grb2）的连接，接头蛋白通过SH2与受体的磷酸酪氨酸残基结合，再通过SH3与Sos结合，Sos与膜上的Ras接触，从而活化Ras。Ras本身的GTP酶活性不强，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的参与，使Ras结合的GTP水解而失活，GAP具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。Ras蛋白与Raf的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又称MAPKKK）活化的Raf结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其活化。MAPKK又使MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活。MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK），属丝氨酸/苏氨酸残激酶。活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。RPTK-Ras信号通路可概括如下：配体→RPTK→adaptor→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→转录因子→基因表达。图8-27RAS信号途径4．胰岛素受体介导的信号转导胰岛素受体也属于受体酪氨酸激酶，是由α和β两种组成四聚体型受体，其中β亚基具有激酶活性，可将胰岛素受体底物（insulinreceptorsubstrates,IRSs）磷酸化（图8-28），IRS作为多种蛋白的停泊点，可以结合或激活具有SH2结构域的蛋白。如磷脂酰肌醇3-激酶（phosphotidylinositol3-kinase,PI3K）。图8-28IRSPI3K催化PI形成PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3，这两种磷酸肌醇可作为胞内信号蛋白（含PH结构域）的停泊位点，激活这些蛋白。其信号通路主要有：①通过激活BTK（Bruton'styrosinekinase），再激活磷脂酶Cγ（PLCγ），引起磷脂酰肌醇途径。②激活磷脂酰肌醇依赖性激酶PKD1（phosphoinositoldependentkinase），PKD1激活转位到膜上的蛋白激酶B（PKB，一种丝氨酸/苏氨酸激酶，如Akt）。激活的PKB返回细胞质，将细胞调亡相关的BAD蛋白磷酸化，抑制BAD的活性，从而使细胞存活（图8-29）。图8-29蛋白激酶B的活化（二）受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体丝氨酸/苏氨酸激酶（receptorserine/threoninekinases）是单次跨膜蛋白受体，在胞内区具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，该受体以异二聚体行使功能。主要配体是转化生长因子-βs。（transforminggrowthfactor-βs，TGF-βs。）家族成员，包括TGF-β1~TGF-β5，这些成员具有类似结构与功能，对细胞具有多方面的效应。依细胞类型不同，可能抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞和作为胚胎发育过程中的诱导信号等。（三）受体酪氨酸磷酯酶受体酪氨酸磷酯酶（receptortyrosinephosphatases）为单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。它的作用不是简单的与RPTK相反，可能与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体的尚不了解。和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。胞质酪氨酸磷酯酶胞内段具有两个SH结构域，称作SHP1和SHP2，通过SHP1可以与细胞因子受体连接，使Jak去磷酸化，SHP1结构域缺陷的老鼠，各类血细胞异常。说明胞质酪氨酸磷酯酶与血细胞分化有关。（四）受体鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶（receptorguanylatecyclase）是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体的配体心房排钠肽（atrialnatriureticpeptides，ANPs）和脑排钠肽（brainnatriureticpeptides，BNPs）。当血压升高时，心房肌细胞分泌ANPs，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。介导ANP反应的受体分布在肾和血管平滑肌细胞表面。ANPs与受体结合直接激活胞内段鸟苷酸环化酶的活性，使GTP转化为cGMP，cGMP作为第二信使结合并激活依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG），导致靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。除了与质膜结合的鸟苷酸环化酶外，在细胞质基质中还存在可溶性的鸟苷酸环化酶，它们是NO作用的靶酶，催化产生cGMP。（五）细胞因子受体超家族属于酪氨酸激酶连接的受体（tyrosinekinaseassociatedreceptor）。细胞因子（cytokine），如：白介素（IL）、干扰素（IFN）、集落刺激因子（CSF）、生长激素（GH）等，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用，这类细胞因子的受体为单次跨膜蛋白，本身不具有酶活性，但与配体结合后发生二聚化而激活，罗织或连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如，JAK），其信号途径为JAK－STAT或RAS途径。JAK（justanotherkinase或januskinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族，已发现四个成员，即JAK1、JAK2、JAK3和TYK1，其结构不含SH2、SH3，C段具有两个相连的激酶区。JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signaltransducerandactivatoroftranscription，STAT），具有SH2和SH3两类结构域。STAT被JAK磷酸化后发生二聚化，然后穿过核膜进入核内调节相关基因的表达，这条信号通路称为JAK-STAT途径（图8-30），可概括如下：1、配体与受体结合导致受体二聚化；2、二聚化受体激活JAK；3、JAK将STAT磷酸化；4、STAT形成二聚体，暴露出入核信号；5、STAT进入核内，调节基因表达。图8-30JAK-STAT信号途径细胞生物学：受体酪氨酸激酶/Ras途径2007-08-1214:27【大中小】【我要纠错】受体酪氨酸激酶，简称RTKs（receptortyrosinekinase）是最大的一类酶联受体；Ras是原癌基因c-ras表达的产物，RTKs/Ras是目前研究得比较清楚的一条主要的信号转导途径。■受体的结构特点及类型●结构特点所有的RTKs都是由三个部分组成的：含有配体结合位点的细胞外结构域、单次跨膜的疏水α螺旋区、含有酪氨酸蛋白激酶（RTK）活性的细胞内结构域（图5-47）。●已发现50多种不同的RTKs，主要的几种类型包括：表皮生长因子受体、血小板生长因子受体、胰岛素和胰岛素样生长因子-1受体等。图5-47几种主要的酪氨酸激酶受体■受体酪氨酸激酶的激活受体酪氨酸激酶的激活是一个相当复杂的过程，大多数受体都要先由两个单体形成一个二聚体，并在细胞内结构域的尾部磷酸化，然后在二聚体的细胞内结构域装配成一个信号转导复合物（图5-48）。图5-48受体酪氨酸激酶的激活及细胞内信号转导复合物的形成受体酪氨酸激酶是如何被激活的？■胰岛素受体信号转导途径●受体结构胰岛素受体（insulinreceptor）是一个四聚体，由两个α亚基和两个β亚基通过二硫键连接。●激活当胰岛素与受体的α亚基结合并改变了β亚基的构型后，酪氨酸蛋白激酶才被激活，激活后可催化两个反应∶①使四聚体复合物中β亚基的特异位点酪氨酸残基磷酸化，这种过程称为自我磷酸化（autophosphorylation）；②使胰岛素受体底物（insulinreceptorsubstrate，IRSs）上具有重要作用的十几个酪氨酸残基磷酸化（图5-49），磷酸化的IRSs能够与那些具有SH2结构域的蛋白结合，引起进一步的反应。图5-49胰岛素受体与配体结合反应胰岛素受体是由两个α亚基和两个β亚基组成的四聚体，胰岛素与α亚基结合引起β亚基构型改变，激活了β亚基的酪氨酸激酶。激活的β亚基将位于受体细胞质结构域的酪氨酸以及受体的各种IRSs磷酸化。●SH结构域（SHdomain）SH结构域是"Src同源结构域"（Srchomologydomain）的缩写（Src是一种癌基因，最初在Roussarcomavirus中发现），SH2大约由100个氨基酸组成。SH3结构域最初也是在Src中鉴定到的由50个氨基酸组成的组件，后来在其他一些蛋白质中也发现了SH3结构域（图5-50）。图5-50磷酸酪氨酸蛋白、SH2、SH3蛋白和SH3结合蛋白示意图●信号转导机制一旦胰